CN109052650A - 一种固定化微藻水质调控剂的制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定化微藻的制备方法，使用改性贝壳粉经氨基酸修饰以电荷相吸原理固定化微藻。具体步骤如下：A.将贝壳真空膨化并粉碎至纳米级粉末；B.以碳酸钾水热改性贝壳粉并抽滤烘干，备用，碳酸钾溶液中含一定质量浓度的烟酰胺和苯基正丁基醚；C.用L‑氨基酸辅以L‑甘露醇和绿原酸超声修饰贝壳粉；D.将小球藻培养液与贝壳粉、茶叶提取物、海藻酸钠、甘油混合搅拌并离心，抽提过量的水即制备出固定化微藻水质调控剂。该方法操作简单、制备成本低廉，所得固定化微藻具有固定效果好、微藻保存时间久、废水处理效率高、能有效防止二次污染等优点。

Description

一种固定化微藻水质调控剂的制备

技术领域

本发明涉及污水治理技术领域，尤其是涉及一种固定化微藻水质调控剂的制备。

技术背景

淡水资源对地球上的生命最为珍贵，然而，地下水和地表水的污染被认为是世界上污染最严重的水源。在中国，估计有2亿多人仍在使用不安全的水源。中国增加氮肥和磷肥的施用量在过去几十年中大大提高了作物产量，而并非所有施用于农田的磷都被植物吸收或保留在土壤中，其中的一部分会到达地表水并导致富营养化，而磷的富集是许多淡水生态系统受损的主要原因。

目前，污染水体修复技术主要有三种类型：1)物理方法；2)化学方法；3)生物-生态方法。在这些方法中，生物-生态方法是目前最受欢迎的污染河流治理方法，它具有几个优点：不需要额外的能量，不需要营养物质来增长，不需要人工管理；通过水生植物的积累和转化能力，这种方法在过去的几十年中被有效地应用于从水环境中去除氮和磷。

微藻是一种原始的，低水平的自养生物，具有生长周期短，增殖速度快，光合速率高，适应性强，定向培养易控制等特点。利用微藻去除废水中的营养物质特别是氮和磷化合物是一种绿色技术，可以减少或替代废水处理厂中化学品的使用；固定化可以提高微藻培养物的生产力和它们在废水处理中的效率，例如：

CN201410649014.6公开了一种可降低淡水池塘氨氮的生物絮团水质调控剂及其添加方法，它涉及池塘水质调控剂及其添加方法。该发明要解决现有用加换新水降低淡水池塘氨氮时浪费水资源、污染周边环境以及单独添加微生态制剂降低氨氮的作用有限的问题。水质调控剂由玉米淀粉、葡萄糖、蒙脱石和EM菌混合而成。添加方法：当淡水池塘中氨氮含量为3mg/L～6mg/L时，按照可降低淡水池塘氨氮的生物絮团水质调控剂的投加量为10～15公斤/亩添加。

CN201710845261.7公开了一种提高松浦镜鲤养殖效率的调控方法，它涉及一种提高松浦镜鲤养殖效率的调控方法。该发明是为了解决现有对松浦镜鲤的养殖方法养殖效率低、养殖水体自身污染严重且鲤鱼成活率低的技术问题，方法如下：池塘放置微孔增氧装置，消毒，加水后开启微孔增氧装置进行连续搅底。放鱼7-10天后同时添加EM菌与水质调控剂。当池塘水体总氨氮达到1.0mg/L以上时开始再次添加水质调控剂。该方法在养殖水体零换水基础上，通过在放鱼前人为扰动池塘底泥、控制增氧，以及在放鱼后添加碳水化合物的方式促进池塘水体中有益微生物大量繁殖，有效改善养殖池塘水质环境，不使用抗生素类药物，以达到节能、减排、健康、高效的养殖目的。

CN201310567059.4公开了一种南美白对虾养殖池塘水质调控的方法；包括如下步骤：在南美白对虾养殖中后期阶段，以池塘溶氧值在8～12mg/L为水质正常；在池塘溶氧值连续4天低于8mg/L时，将水质调控剂与池塘水按1：10～15的比例混合后进行全池泼洒，即完成水质调控；所述水质调控剂由乳酸菌、光合细菌、糖蜜、磷酸二氢钙和水组成。与现有技术相比，该发明在南美白对虾养殖中后期阶段，在池塘溶氧值连续4天低于8mg/L时，采用自制的水质调控剂进行干预措施，充分发挥益生菌功能，维持良好养殖环境，减少病害的发生，降低养殖风险；并且整个养殖周期不用抗生素药物，减少其他药物应用，真正做到了健康绿色养殖。

上述现有技术中的水质调控剂的制备工艺，大多采用化学试剂配方法，存在二次污染，人工管理费高，成本高等问题。针对现有技术中的诸多问题，本发明旨在开发一种固定化微藻水质调控剂的制备方法，以贝壳粉为载体，经改性修饰后赋予其正电荷，与负电荷的微藻相互吸引，从而达到固定化微藻，延长微藻保存时间的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固定化微藻水质调控剂的制备，采用本发明方法制备的固定化微藻具有固定效果好、微藻保存时间久、废水处理效率高、能有效防止二次污染等优点。

本发明针对背景技术中提到的问题，采取的技术方案为：

一种固定化微藻水质调控剂的制备，包括以下步骤：

A.将贝壳置于600-800℃的真空管式炉膨化2-4h，打磨并粉碎至纳米级；经高温膨化的贝壳成为一种生物炭，其作为一种新型环境功能材料，具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，不仅可以吸附废水中的重金属和有机污染物，而且还可以作为微生物载体；具有纳米尺寸的贝壳粉更是一种优良的载体；

B.将贝壳粉与30-40mL的1-2％的碳酸钾溶液混合，水热改性后抽滤烘干，备用；弱碱性碳酸钾溶液可与贝壳粉中CaO，SiO₂等成分反应生成可溶性盐类，使得贝壳粉生物炭的灰分降低，从而提高其吸附性能；

C.将L-氨基酸与贝壳粉混合，50-60℃超声混合溶液20-50min，离心，水洗至中性后真空干燥固体溶质20-24h；用氨基酸修饰贝壳粉，能够增加贝壳粉表面阳离子电荷密度，从而提高对微藻细胞固定化的稳定性；

D.取80-120mL生长在对数生长期的小球藻培养液，加入质量分数2-4％的贝壳粉、10-30mL茶叶提取物、0.3-0.6g海藻酸钠以及1-3mL的3％的甘油混合搅拌并离心，抽提过量的水即制备出固定化微藻水质调控剂；海藻酸钠的作用在于促进贝壳粉对小球藻的固定化使其形成微藻凝胶球的结构，而茶叶提取物具有防止微藻凝胶球的破碎、变形的效果；将贝壳粉生物炭吸附性能好、可重复使用的特点与微藻高效富集氮、磷、重金属的特性结合起来，生物炭快速吸附水中污染物的同时，通过微藻的生长代谢消耗废水中的氮、磷等富营养物质，可达到深入净化水体的作用；贝壳粉还能够通过其表面的官能团来中和微藻细胞表面的负电荷从而促进胞外聚合物的分泌，而胞外聚合物的分泌反过来又促进了微藻对氮、磷等富营养物质的吸附作用。

作为优选，水热反应的条件为：使用聚四氟乙烯为内衬的反应釜，反应温度为160-180℃，时间20-24h。

作为优选，碳酸钾溶液中含有质量浓度为2.5-4％的烟酰胺和0.3-0.7％的苯基正丁基醚；烟酰胺和苯基正丁基醚的特殊存在之一，有利于碳酸钾与一定粒度的贝壳生物质炭充分接触，使得碳酸钾与生物质炭结构中的链烃、环烃等进行一系列的活化反应，生成大量小分子气体而达到造孔的目的，除提高了生物质炭表面微孔的数量，还使得少量微孔扩展为大、中孔，丰富了生物质炭表面孔隙结构，使得孔隙率大大提升，增加了贝壳粉与微藻细胞的固定位点；之二能够促进贝壳粉表面碱性官能团尤其是羟基的数量，为下一步氨基酸对贝壳粉进行修饰做准备。

作为优选，L-氨基酸与贝壳粉质量比为1-2:1，超声的混合溶液中含有L-甘露醇和绿原酸，二者等体积混合的体积为50-60mL；L-甘露醇和绿原酸一方面能够促进阳离子电荷在贝壳粉表面富集，提高贝壳粉表面阳离子电荷密度，更重要的是能够促进氨基酸中的羧基和改性后的贝壳粉表面官能团尤其是羟基反应并排列在贝壳粉表面形成一层自组装分子层，该分子层形成一个附加电场，能够降低贝壳粉表面势能，从而提高贝壳粉表面孔道对微藻细胞的固定程度，进一步提高了固定化微藻的稳定性，有效降低其在污水处理过程中造成流失，提高了其废水处理效率。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1)本发明以贝壳粉为载体，经改性修饰后赋予其正电荷，与负电荷的微藻相互吸引，从而达到固定化微藻，延长微藻保存时间的目的；2)本发明采用贝壳为原料，不仅减轻了废弃贝壳对环境的污染，同时提供了利用贝壳的新途径，提高了贝壳的利用价值，实现了资源的有效利用，为环境保护也做出了贡献。

附图说明

图1是本发明的生物显微镜下贝壳粉与微藻的结合示意图；

图2是本发明的保存60天内水质调控剂微藻的生长情况；

图3是本发明的不同保存温度下水质调控剂对氮的去除效果图；

图4是本发明的不同保存温度下水质调控剂对磷的去除效果图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明方案作进一步说明：

实施例1：

一种固定化微藻水质调控剂的制备，包括以下步骤：

(1)将贝壳置于600℃的真空管式炉膨化2h，打磨并粉碎至纳米级；经高温膨化的贝壳成为一种生物炭，其作为一种新型环境功能材料，具有发达的孔隙结构和巨大的比表面积，不仅可以吸附废水中的重金属和有机污染物，而且还可以作为微生物载体；具有纳米尺寸的贝壳粉更是一种优良的载体；

(2)将贝壳粉与30mL的1％的碳酸钾溶液混合，碳酸钾溶液中含有质量浓度为3％的烟酰胺和0.5％的苯基正丁基醚，于160℃水热改性24h后抽滤烘干，备用；弱碱性碳酸钾溶液可与贝壳粉中CaO，SiO₂等成分反应生成可溶性盐类，使得贝壳粉生物炭的灰分降低，从而提高其吸附性能；烟酰胺和苯基正丁基醚的特殊存在之一，有利于碳酸钾与一定粒度的贝壳生物质炭充分接触，使得碳酸钾与生物质炭结构中的链烃、环烃等进行一系列的活化反应，生成大量小分子气体而达到造孔的目的，除提高了生物质炭表面微孔的数量，还使得少量微孔扩展为大、中孔，丰富了生物质炭表面孔隙结构，使得孔隙率大大提升，增加了贝壳粉与微藻细胞的固定位点；之二能够促进贝壳粉表面碱性官能团尤其是羟基的数量，为下一步氨基酸对贝壳粉进行修饰做准备；

(3)将L-氨基酸与贝壳粉混合，加入L-甘露醇和绿原酸，60℃超声30min，离心，水洗至中性后真空干燥固体溶质24h；L-氨基酸与贝壳粉质量比为1:1，且L-氨基酸为精氨酸和赖氨酸，二者质量比为1:2，L-甘露醇和绿原酸等体积混合的体积为50mL；用氨基酸修饰贝壳粉，能够增加贝壳粉表面阳离子电荷密度，从而提高对微藻细胞固定化的稳定性；L-甘露醇和绿原酸一方面能够促进阳离子电荷在贝壳粉表面富集，提高贝壳粉表面阳离子电荷密度，更重要的是能够促进氨基酸中的羧基和改性后的贝壳粉表面官能团尤其是羟基反应并排列在贝壳粉表面形成一层自组装分子层，该分子层形成一个附加电场，能够降低贝壳粉表面势能，从而提高贝壳粉表面孔道对微藻细胞的固定程度，进一步提高了固定化微藻的稳定性，有效降低其在污水处理过程中造成流失，提高了其废水处理效率；

(4)取100mL生长在对数生长期的小球藻培养液，加入0.2g贝壳粉、20mL茶叶提取物、0.5g海藻酸钠以及2mL的3％的甘油混合搅拌并离心，抽提过量的水即制备出固定化微藻水质调控剂，于4℃下保存水质调控剂；海藻酸钠的作用在于促进贝壳粉对小球藻的固定化使其形成微藻凝胶球的结构，而茶叶提取物具有防止微藻凝胶球的破碎、变形的效果；将贝壳粉生物炭吸附性能好、可重复使用的特点与微藻高效富集氮、磷、重金属的特性结合起来，生物炭快速吸附水中污染物的同时，通过微藻的生长代谢消耗废水中的氮、磷等富营养物质，可达到深入净化水体的作用；贝壳粉还能够通过其表面的官能团来中和微藻细胞表面的负电荷从而促进胞外聚合物的分泌，而胞外聚合物的分泌反过来又促进了微藻对氮、磷等富营养物质的吸附作用。

实施例2：

将贝壳置于600℃的真空管式炉膨化2h，打磨并粉碎至纳米级；用30mL的1％的碳酸钾溶液做为改性剂，碳酸钾溶液中含有质量浓度为3％的烟酰胺和0.5％的苯基正丁基醚，于160℃水热改性贝壳粉24h后抽滤烘干，备用；将L-氨基酸与贝壳粉混合，加入L-甘露醇和绿原酸，60℃超声30min，离心，水洗至中性后真空干燥固体溶质24h；L-氨基酸与贝壳粉质量比为1:1，且L-氨基酸为精氨酸和赖氨酸，二者质量比为1:2，L-甘露醇和绿原酸等体积混合的体积为50mL；取100mL生长在对数生长期的小球藻培养液，加入0.2g贝壳粉、20mL茶叶提取物、0.5g海藻酸钠以及2mL的3％的甘油混合搅拌并离心，抽提过量的水即制备出固定化微藻水质调控剂，于-24℃下保存水质调控剂；

实施例3：

将贝壳置于600℃的真空管式炉膨化2h，打磨并粉碎至纳米级；用30mL的1％的碳酸钾溶液做为改性剂，碳酸钾溶液中含有质量浓度为3％的烟酰胺和0.5％的苯基正丁基醚，于160℃水热改性贝壳粉24h后抽滤烘干，备用；将L-氨基酸与贝壳粉混合，加入L-甘露醇和绿原酸，60℃超声30min，离心，水洗至中性后真空干燥固体溶质24h；L-氨基酸与贝壳粉质量比为1:1，且L-氨基酸为精氨酸和赖氨酸，二者质量比为1:2，L-甘露醇和绿原酸等体积混合的体积为50mL；取100mL生长在对数生长期的小球藻培养液，加入0.2g贝壳粉、20mL茶叶提取物、0.5g海藻酸钠以及2mL的3％的甘油混合搅拌并离心，抽提过量的水即制备出固定化微藻水质调控剂，于25℃下保存水质调控剂；

对比例1：

改性用碳酸钾溶液中不添加烟酰胺和苯基正丁基醚，其余部分和实施例3完全相同。

对比例2：

L-氨基酸修饰贝壳粉过程中不添加L-甘露醇和绿原酸，其余部分和实施例3完全相同。

实验结果分析：由图1可知，经改性修饰后的贝壳粉表面孔隙结构发达，增加了其与微藻的结合几率，对微藻的固定效果好；图2表明微藻在-24℃环境下保存效果最好；而图2、3则表明采用本发明方法制备的固定化微藻水质调控剂对污水中氮磷的去除效果好，而环境温度对其影响不大。

经测定，对比例1和2制备的水质调控剂对污水中氮磷的去除率均低于实施例3，表明烟酰胺和苯基正丁基醚的特殊存在能够丰富贝壳粉表面的孔隙结构，提高其对微藻的固定位点从而提高产品对氮磷的吸附；而L-甘露醇和绿原酸则有助于降低贝壳粉表面电势，加强固定化微藻的稳定性，有效降低其在污水处理过程中造成流失，从而提高其废水处理效率。

本发明操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种固定化微藻水质调控剂的制备，采用贝壳粉作载体，其特征在于：所述贝壳粉经改性修饰后表面携带正电荷。

2.根据权利要求1所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述贝壳粉为经真空膨化并粉碎所得。

3.根据权利要求1所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述改性的步骤为：将贝壳粉与1-2％的碳酸钾溶液混合，水热改性后抽滤烘干，备用。

4.根据权利要求3所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述碳酸钾溶液中含有质量浓度为2.5-4％的烟酰胺和0.3-0.7％的苯基正丁基醚。

5.根据权利要求3所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述水热反应的条件为：使用聚四氟乙烯为内衬的反应釜，反应温度为160-180℃，时间20-24h。

6.根据权利要求1所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述修饰采用L-氨基酸为修饰剂，L-氨基酸与贝壳粉质量比为1-2:1。

7.根据权利要求6所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述修饰方法为超声混合溶液20-50min，离心，水洗至中性后真空干燥固体溶质20-24h。

8.根据权利要求7所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述混合溶液含L-甘露醇和绿原酸，二者等体积混合的体积为50-60mL。

9.根据权利要求1所述的一种固定化微藻水质调控剂的制备，其特征在于：所述微藻固定化步骤为：将小球藻培养液与贝壳粉、茶叶提取物、海藻酸钠、甘油混合搅拌并离心，抽提过量的水即制备出固定化微藻水质调控剂。